NICER: un telescopio de rayos X para saber de qué están hechas las estrellas de neutrones

¿De qué está hecho el interior de una estrella de neutrones? «Pues menuda pregunta más absurda» —podríamos pensar— «¿de qué van a estar hechas si no es de neutrones?». En realidad no, no es tan simple. Y la respuesta a esta cuestión nos abre la puerta a un nuevo reino de la física de partículas y a un mejor entendimiento de la evolución de las estrellas y, por ende, el universo entero. Ahora, gracias a un nuevo telescopio de rayos X de la NASA que ha sido recientemente lanzado en la nave de carga Dragon CRS-11 estaremos más cerca de resolver este enigma. El nombre del instrumento: NICER (Neutron star Interior Composition Explorer).

NICER en el exterior de la ISS (NASA).
NICER en el exterior de la ISS (NASA).

Conviene recordar que una estrella de neutrones se forma generalmente al morir una estrella masiva en una explosión de supernova. El núcleo de la estrella, con una masa superior a las 1,44 masas solares (el Límite de Chandrasekhar), es incapaz de sostener su propio peso con la presión de la materia degenerada —lo que ocurre en las enanas blancas— y se colapsa hasta que encuentra un nuevo equilibrio. La presión es tan brutal que los electrones de los átomos se precipitan sobre los núcleos y el centro de la estrella se convierte en un inmenso núcleo atómico de apenas veinte kilómetros de diámetro. Toda la masa de una estrella en un objeto más pequeño que muchos asteroides. Y puesto que los átomos están formados principalmente por vacío (el espacio entre el núcleo y la corteza electrónica), al eliminar este ‘espacio innecesario’ se consiguen las fabulosas densidades que se dan en las estrellas de neutrones.

Así que, en principio, no hay ningún misterio. Una estrella de neutrones está formada por… neutrones. Y ya está. Desgraciadamente, o afortunadamente, según se mire, la naturaleza siempre es mucho más compleja de lo esperado. Es cierto que cuando se produce el colapso la fuerza débil provoca que gran parte de los electrones interaccionen con los protones de los núcleos para dar neutrones (y neutrinos, parte de los cuales se escapan durante la explosión de supernova, pero eso es otra historia). Para ser precisos, el resultado final es que solo tendremos un 10% de protones en los núcleos.

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Posible interior de una estrella de neutrones (derecha) y una estrella de quarks (izquierda)(NASA).

Sin embargo, hay que tener en cuenta que los neutrones no son partículas fundamentales y están formados por quarks. En la densidad brutal del interior de las estrellas de neutrones la materia nuclear deja de comportarse según lo previsto. Además, esta densidad varía dramáticamente, desde unos 1011 gramos por centímetro cúbico cerca de la superficie hasta más de 1015 g/cm3 en el centro (que es varias veces superior a la densidad de un núcleo atómico). Como resultado una estrella de neutrones tiene una rica estructura interior que dependerá del comportamiento preciso de la materia nuclear (lo que en física se denomina como la ecuación de estado), algo que desconocemos. Y, a su vez, esta estructura influirá de forma determinante en el tamaño de la estrella. Por ejemplo, la materia nuclear parece que forma estructuras exóticas denominadas genéricamente ‘pasta nuclear‘ por su curiosa similitud con los espaguetis o la lasaña. Igualmente, puesto que no sabemos cuál es la ecuación de estado precisa de la materia nuclear compacta, tampoco conocemos el límite superior de la masa de una estrella de neutrones —el denominado Límite Tolman-Oppenheimer-Volkoff—, que actualmente se cree ronda las 2,1 masas solares y por encima del cual se forma un agujero negro.

Simplificando el asunto, actualmente existen cuatro posibilidades para explicar qué pasa con la materia neutrónica en el interior de una estrella de neutrones. La primera es que los neutrones desaparecen para dar lugar a una ‘sopa de quarks’. De ser así, la estrella de neutrones sería realmente una ‘estrella de quarks’, más pequeña y compacta que sus hermanas (las ‘estrellas extrañas’, con quarks extraños además de quarks arriba y abajo, son una subclase de estas estrellas de neutrones). Otra posibilidad es que los neutrones y demás partículas de tipo fermión (las que forman la materia) se unan para formar bosones, o mejor dicho, un condensado de Bose-Einstein. Este condensado con propiedades superfluidas permite aliviar la enorme presión del interior de estas estrellas. Por último, es posible que los quarks formen partículas nuevas denominadas hiperones, un tipo de bariones que, además de los quarks arriba y abajo, también cuentan con quarks extraños. Y, por supuesto, siempre puede aparecer algún otro fenómeno desconocido que no hayamos tenido en cuenta o una combinación de todos los mencionados anteriormente.

Los 56 sd
Los 56 telescopios de rayos X de óptica rasante de NICER (NASA).
Partes de NICER (NASA).
Partes de NICER (NASA).

¿Cómo saber qué escenario es el correcto? A falta de una única ecuación de estado para la materia neutrónica o de quarks, solo nos queda la experimentación. A priori podríamos pensar que los aceleradores de partículas como el LHC nos darán la respuesta, pero no resulta tan fácil. En el LHC la temperatura de las partículas es mucho mayor que en las estrellas de neutrones, donde, aunque el interior dista mucho de ser frío, esta magnitud no es el factor fundamental comparada con otras fuerzas. Por otro lado, se espera que el experimento LIGO nos ofrezca en el futuro datos de primera mano de la fusión de estrellas de neutrones, pero por el momento no se ha detectado nada parecido.

Una opción muy atractiva es medir el tamaño de las estrellas de neutrones. De esta forma seremos capaces de concretar su densidad y tendremos a nuestra disposición una evidencia clara de qué mecanismo —o mecanismos— es el que está presente dentro de estos astros. Pero medir el tamaño de una estrella de neutrones es de todo menos sencillo. Su pequeñísimo diámetro medio no ayuda precisamente, pero es que además suelen estar rodeadas de una ‘atmósfera’ de partículas cargadas atrapadas por su potente magnetosfera que impide que veamos la superficie claramente.

La solución pasa por observar estrellas de neutrones con campos magnéticos relativamente débiles, pero que a pesar de todo sean lo suficientemente intensos como para que posean zonas calientes en los polos magnéticos. Estas zonas son la clave para determinar el tamaño de las estrellas de neutrones. ¿Cómo? Pues usando un método muy ingenioso. Las zonas calientes de los polos magnéticos emiten profusamente en rayos X y otras longitudes de onda (en el caso de que la emisión sea muy intensa la estrella de neutrones es un púlsar). Si podemos determinar con precisión la forma de esta señal periódica seremos capaces de calcular su tamaño. Efectivamente, cuanto mayor sea el contraste en la señal, mayor será la estrella. ¿Pero cómo es esto posible?

De entrada lo lógico es pensar que solo podemos ver la mitad de la superficie de la estrella en un momento dado. De ser así no podríamos usar este método para saber el tamaño del astro. Pero aquí es donde viene al rescate la relatividad general. Las estrellas de neutrones son objetos tan compactos que distorsionan fuertemente el espacio tiempo a su alrededor. Cuanto más pequeña sea una estrella de neutrones más distorsionará el espacio tiempo y, como resultado, más superficie de la estrella podremos ver desde la Tierra. Por eso una estrella de neutrones muy pequeña apenas muestra contraste en su señal de rayos X, ya que siempre podremos observar las zonas calientes de su superficie debido a esta distorsión.

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Señal de flujo periódico en rayos X procedente de una estrella de neutrones. A menor tamaño de la estrella más superficie de la misma podremos ver por la distorsión del espacio tiempo y mayor contraste en la señal tendremos (NASA).
La distorsión del espacio tiempo de una estrella de neutrones nos puede permitir ver sus dos polos a la vez (Wikipedia).
La distorsión del espacio tiempo de una estrella de neutrones pequeña nos puede permitir ver sus dos polos a la vez (Wikipedia).

Pero este método tiene dos inconvenientes. El primero es que necesitamos observar el cielo en rayos X, por lo que es imprescindible usar satélites situados en el espacio. El segundo es que se requiere una enorme precisión temporal para obtener una curva de luz lo suficientemente detallada como para poder hallar el tamaño del astro. Ahora, gracias al instrumento NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) del Centro Goddard de la NASA podremos poner a prueba esta hipótesis. NICER consiste en 56 sensores de rayos X con una superficie total de 1.400 centímetros cuadrados que trabajan en el rango de rayos X con energías de 0,2 a 12 kiloelectronvoltios. Pero su punto fuerte es la elevadísima precisión temporal de su instrumento principal, XTI (X-ray Timing Instrument), que alcanza los 100 nanosegundos (hay que recordar que las estrellas de neutrones giran muy rápidamente).

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Para qué servirá NICER (NASA).
Comparación
Comparación del área efectiva entre NICER y el telescopio europeo XMM-Newton (NASA).
NICER antes del lanzamiento (NASA).
NICER antes del lanzamiento (NASA).

Los investigadores esperan que NICER sea capaz de medir el diámetro de al menos ocho estrellas de neutrones con una precisión de entre el 5% y el 10%. Con estos datos en la mano estaremos más cerca de saber qué modelos del interior de las estrellas de neutrones son acertados y cuáles no. Por ahora las estimaciones de tamaños realizadas hasta la fecha apuntan a que uno o varios de los fenómenos mencionados más arriba están en juego, ya que estas estrellas compactas parecen ser más pequeñas de lo que cabría esperar si solo estuvieran hechas de neutrones (20 kilómetros de media en vez de 25 kilómetros). ¿Cómo es por tanto el interior de estas estrellas? Con NICER estaremos más cerca de averiguarlo.

Estructura interior de una estrella de neutrones (NASA).
Estructura interior de una estrella de neutrones (NASA).

Referencias:

  • https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/nicer/papers/NICER-SPIE-July2016.pdf
  • https://pcos.gsfc.nasa.gov/physpag/meetings/AAS_Jan2016/Remillard_NICER_XSIG.pdf

23 Comentarios

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Gabriel.Gabriel.

Increible la precisión con la que podemos medir algo a años luz de distancia! Que ventaja tiene estar acoplado a la ISS frente a ser un satelite independiente? Teniendo en cuenta la limitaciones de orbita, posicion, vibraciones, etc. que puede tener por estar ahí.

TxemaryTxemary

Hombre pues para empezar el coste… no te olvides de que es un prototipo. Y diseñar un satélite para alimentarlo y comunicarlo sería bastante más caro, en la ISS ya dispone de dicha infraestructura. También es posible que en la estación puedan hacerle posteriormente algún mantenimiento o modificación, aunque eso no lo se seguro, pero es posible.

FrancoixFrancoix

Me siento como un niño pequeño.
No entiendo casi nada pero quiero saberlo todo.
Daniel, muchas gracias por estos post que iluminan algo a los neófitos!!

vip ondiuvip ondiu

Pregunta para el próximo Radio Skylab:
Siempre me he preguntado qué pasaría si disparásemos una bala (a velocidades relativistas) o un láser de forma muy tangente a la superficie de una estrella de neutrones, y lográsemos de alguna forma sacarle una “astilla” a la estrella. ¿Tendría un pedazo de “neutronio” puro y estable para llevarme a casa? ¿ Se descompondría tal cual saliera del potente campo gravitatorio de la estrella de neutrones? …En caso de que la temperatura natural de la estrella fuera un problema, si enfriásemos la astilla hasta que fuera material sólido ¿seria entonces estable?

Seria curioso tener en la mano una pequeña “piedra” con la masa de una montaña….

Si alguien se anima a contestar aquí… sino para el próximo capítulo de RS
¡Saludos!

U-95U-95

El neutronio no es estable fuera de las condiciones de ese tipo de estrella y se descomprime de manera explosiva en materia normal. Lanzado con un acelerador de masas a velocidades relativistas co cuando va a sufrir eso y aprovechándose de la dilatación del tiempo a tales velocidades se tendría un arma de ciencia-ficción maja.

La misión del telescopio suena realmente interesante.

RuneRune

Por respuesta, más que recomiendo el libro “Dragon’s Egg”, de Robert L. Forward, que trata casi todo lo tratable sobre estrellas de neutrones… incluyendo la posible aparición de una química compleja, civilización incluida. No es el argumento que más me haya atrapado, pero es una de esas novelas que recuerdas toda la vida por lo fantástico de su escenario.

Y si estamos perezosos, no, la materia degenerada de una estrella de neutrones requiere de una enorme fuerza gravitatoria compresiva para existir, si no se da ésta, “des-degeneraría” (regenaría?) en forma de materia “normal” (y, se imagina uno, de forma tan explosiva como te puedas imaginar).

vipondiuvipondiu

Gracias por las respuestas, o sea que no puedo llevarme mi “conglomerado de neutrones” a casa en ningún caso… Vaya, eso que la idea de usar un cohete gigantesco para mover un pedazo de estrella de neutrones del tamaño de un dado (al fin y al cabo intentas mover una montaña, solo que comprimida) era tremenda XD

Le daré un vistazo a “Dragon’s Egg”. Normalmente huyo de la ciencia ficción “hard”, pero la idea de tener vida en un estrella de neutrones no se me hubiera pasado nunca por la cabeza, parece interesante.

U-95U-95

Stephen Baxter también ha escrito de eso en la saga de los Xeelee. No recuerdo exactamente como se llama el libro pero sí que gira alrededor de humanos muy modificados (tamaño microscópico) para poder vivir en el superfluido de neutrones que habría en el interior de uno de esos astros, con razones muy justificadas además.

Mr. ChipMr. Chip

¿No había eliminado el presidente Trump la financiación a una gran cantidad de instrumentos científicos de la EEI?

fisivi

Interesantísimo artículo. Nunca hubiera imaginado que una estrella de neutrones tuviese capas.

Una pregunta temeraria de espaciotrastornado sin conocimientos, aunque seguro que no entenderé la respuesta:
Si a una estrella de neutrones, que ya está comprimida al máximo, se le añade suficiente masa como para convertirla en agujero negro ¿su núcleo colapsará en una sigularidad puntual que se cree en su centro, o explotará hacia su horizonte de sucesos, quedando toda su masa o energía orbitando en ese horizonte a la velocidad de la luz?

Martínez el FachaMartínez el Facha

Colapsará en una singularidad, cuyo radio depende de la masa.
Entre esta materia y el horizonte de sucesos puede haber espacio vacío.

Estoo… También debería informarte de que me he formado mi opinión después de leer un par de artículos del amigo Hawking; no soy astrofísico… (puedes ver que además de honrado como enteradillo soy tolerable…)

amagoamago

¿estamos seguros de que la materia colapsa más de lo que lo hace en una estrella de neutrones? ¿no puede ser que dentro del horizonte de sucesos de un agujero negro haya una estrella de neutrones grande?

joe… creo que este artículo nos queda un poco “grande” a la mayoría…

Blue_hypergiantBlue_hypergiant

“¿No puede ser que dentro del horizonte de sucesos de un agujero negro haya una estrella de neutrones grande?”

Pues esa propuesta existe, se llaman “estrellas de Plank” 😉

amagoamago

vaya! un tema apasionante el de agujeros negros con estrellas de planck! gracias por la respuesta. aunque he de reconocer que la mecanica cuantica siempre me dio un poco de repelus (por lo complicado).

eduardoeduardo

Hola.
Yo se lo que hay dentro de la estrella de bariones. Dentro de los bariones hay cuerdas de violines. Lo se porque vi un documental y me quedó super claro. Así que para hacer un buen experimento de como funcionan esas estrellas solo hay que ir a la casa de música más cercana a su casa y comprar cuerdas de violines. También funcionan las de violas y chelos. No se las de contrabajo. En el documental no había ningún contrabajo. Bueno. Ya me voy a enterar.

SBSB

Ola, entiendo que no tenemos “cerca” ninguna de esas estrellas (cosa que tampoco sería deseable). Se sabe a qué distancia está la más “próxima”?? Es que, desde mi falta de conocimiento, me pregunto por qué el Hubble no ha escudriñado un poco esa atmósfera llena de partículas cargadas atrapadas por una potente magnetosfera, como dice el artículo. Sobre todo para poder verla como se vería si pudiéramos estar más cerca con nuestra visión normal; en definitiva, para darnos una imagen algo más que artìstica de lo que se cuece en estos extraños astros…

ChechuChechu

La imagen de la ”bala” chocando rasante la estrella de neutrones para sacar un dadito de neutronio me ha alegrado el día :) por un segundo imaginé a toda la humanidad en un futuro lejano lanzando un gran cañón de rieles a velocidades relativistas y que el proyectil hiciera algo así como…. como… como una gota de agua cayendo sobre el casco de un buque supertanquero xD

zovenixzovenix

Me surge una duda en lo que se refiere a la forma que adquirirían las estrellas de neutrones. En todas las representaciones que veo se las dibuja perfectamente esféricas. Pero teniendo en cuenta la enorme velocidad a la que giran …¿ no se achatarían mucho por los polos hasta tomar forma de aceituna o algo así?.
Ya supongo que deben de ser muy compactas y difíciles de deformar, pero me suena haber leído -y no sé si lo recuerdo mal- que algunas giran tan rápido que se encuentran casi al mismo límite del rompimiento.

1 Trackback

[…] Como puedes imaginar, una estrella de neutrones es uno de los objetos más extremos que podemos encontrar en el universo. Tiene una gravedad tan intensa que debe tenerse en cuenta la relatividad general para entenderla. Las densidades son comparables a la densidad nuclear e incluso algunos modelos plantean la posibilidad de que en el interior se acabase formando una sopa de quarks (las partículas de las que están hechos protones y neutrones) u otras partículas exóticas. Incluso su campo magnético es increíblemente intenso, del orden de 10¹² Gauss o incluso más (para que tengas algo con que comparar, el campo magnético de la Tierra es inferior a 1 Gauss, el de un imán de nevera ronda los 100 Gauss, y el electroimán más potente que se ha construido tiene en torno a un millón de Gauss). Por ello tanto astrofísicos, como físicos de partículas y físicos teóricos tienen interés en estudiarlas. Un ejemplo de los proyectos que se están llevando a cabo es el instrumento NICER que se mandó recientemente a la Estación Espacial Internacional. […]

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